为什么 JVM 叫做基于栈的 RISC 虚拟机？

news2024/11/17 7:24:12

其实这个问题比较简单，今天这篇文章的主要目的是想让大家看一下分析这个问题的逻辑，并且如何更好地从一手资料里寻找这些问题的答案。

上图是《深入理解 Java 虚拟机》一书中的截图。其实，说 JVM 是基于栈的虚拟机，指的是 JVM 所支持的指令集架构 ISA 是基于栈的，即字节码是基于栈的指令集架构。

有了指令集架构这层抽象，我们就无需关心其背后的实现是虚拟机还是物理机，甚至假如实际的执行是基于寄存器实现的，但指令集架构里是基于栈的，我们也可以说这套指令集架构是基于栈的。

指令集架构就是 ISA，Instruction Set Architecture。

我们通常使用的 Intel x86 CPU 的 ISA 可以查阅 Intel 手册第二部分。

这里按照首字母排序分成了三个部分进行逐一讲解，一共有几千条指令，所以是属于CISC 复杂指令集架构。

与之相对的精简指令集架构 RISC 的典型实现是 ARM，ARM 本身的指令集架构又分很多种，其中 A32 ISA 可以从官网下载到，指令数量仅有几百条，且指令长度均为 32 位，方便了指令译码与流水线优化。

而对于 JVM 这台虚拟计算机来说，字节码就是它的 ISA，它的官方手册就是：Java Language and Virtual Machine Specifications。

在 2.11 小节中给出了 ISA 的概述。

在后面的 Chapter 6 中列出了每一条字节码指令的详细说明和用法。

可以注意到，指令的数量非常少，且大部分是零地址指令，即指令长度大部分是固定的 1 字节，所以也是典型的 RISC 指令集架构。

字节码指令一共有多少个呢？看下 OpenJDK 源码里的 bytecodes.hpp，共 203 条指令。

而且，还有很多比如 iconst_0 iconst_1 iconst2 ... 这样的，在官方文档中是都归为一类的，所以实际上的指令数量更少，可以放心地把它归在精简指令集的类别里。

好了，我们现在解释清楚了，JVM 为什么是 RISC 指令集架构的虚拟机了。回顾一下我们的思考方式。

Intel x86 --> Intel 手册 --> CISC

ARM -> ARM A32 手册 --> RISC

JVM -> JVM 手册 --> RISC

嗯，完美！

接下来我们讨论，为什么 JVM 是基于栈的虚拟机？

有两个关键点，一，基于栈说的是 ISA 是基于栈的，即字节码是基于栈的。二，既然说了基于栈，那与之相对的是什么呢？

我们两个问题一块来解释。

我们用 c 语言写一段简单的 1+1 程序。

int add() {
    int a = 1;
    int b = a + 1;
    return b;
}

它编译成 Intel x86 汇编是这样的。

add:
    pushl %ebp
    movl %esp,%ebp
    subl $8,%esp
    movl $1,-4(%ebp)
    movl -4(%ebp),%edx
    incl %edx
    movl %edx,-8(%ebp)
    movl -8(%ebp),%eax
    jmp .L1
.L1:
    leave
    ret

可以看出这里的 edx 寄存器就是作为计算 b 的结果的关键部件，所以 x86 ISA 是基于寄存器的。

如果我们用 java 语言编写这段程序。

public int add() {
    int a = 1;
    int b = a + 1;
    return b;
}

那么编译成给 JVM 看的 ISA 即字节码是这样的。

public int add();
  Code:
     0: iconst_1
     1: istore_1
     2: iload_1
     3: iconst_1
     4: iadd
     5: istore_2
     6: iload_2
     7: ireturn

这里面的 iload_1 iconst_1 和 iadd 都是使用操作数栈，所以字节码是基于栈的 ISA。

这就把第二个问题讲清楚了，不需要其他多余的解释。

那具体的一条字节码指令在 CPU 中究竟是如何执行的呢？也是用栈来完成操作的么？

我们看其中一条指令 iconst_1。